tìm hiểu và phát triển mạch điều khiển điện xoay chiều cho nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MÁY TÍNH BÁO CÁO ĐỒ ÁN NGÀNH KỸ THUẬT MÁY TÍNH TÌM HIỂU VÀ PHÁT TRIỂN MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN XOAY CHIỀU CHO NHÀ THÔNG MINH Cán hướng dẫn : Kỹ sư Nguyễn Duy Xuân Bách Thành viên nhóm : Nguyễn Văn Hưng Nguyễn Thuận Phạm Thế Tư 50901113 50902673 50903215 Tổng quan đề tài I Nội dung đề tài phần dự án xây dựng hệ thống Nhà thông minh SmartHome Hệ thống hướng đến mục tiêu tự động hóa điều khiển thông minh tất thiết bị điện dùng nhà để đem đến tiện lợi cho người chủ nhà, đồng thời thực việc tiết kiệm tối ưu lượng sử dụng Đề tài nhóm thực tập trung việc điều khiển (gồm thao tác đóng, mở, tăng giảm cường độ, đo thông số) thiết bị điện xoay chiều sử dụng nhà Nhóm sử dụng mạch điện có vi điều khiển, nhận lệnh từ người dùng/hoặc hệ thống điều khiển khác để thực thao tác II ● ● ● ● Mục tiêu đề tài Điều khiển thao tác đóng, mở thiết bị điện xoay chiều Kiểm soát việc đóng, mở vi điều khiển theo kịch định trước Đo thông số dòng điện sử dụng, hiển thị hình Hoạt động tốt với nhiều thiết bị sử dụng lúc III Chức Đóng ngắt thiết bị điện xoay chiều Đo cường độ dòng điện xoay chiều tải Dùng phím nhấn bật/tắt thiết bị Hiển thị trang thái thiết bị sử dụng hình LCD Giao tiếp UART với máy tính module khác IV Thiết kế tổng quan Nội dung thực đề tài gồm module rời module điều khiển thực chức điều khiển trực tiếp module xoay chiều: Module điều khiển: Nhóm sử dụng board điều khiển có sẵn vi điều khiển ATMega-64 module phụ khác LCD hiển thị, phím bấm, UART giao tiếp với máy tính… Module xoay chiều: Trong module này, nhóm sử dụng MOC điều khiển TRIAC trực tiếp đóng mở mạch điện xoay chiều Bên cạnh đó, cảm biến dòng TL78 dùng để đo dòng điện cảm ứng mạch xoay chiều, từ trả giá trị cường độ dòng điện xoay chiều cho module điều khiển V Tìm hiểu linh kiện TRIAC tắt Triode for Alternating Current) phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p- theo hai chiều cực Anode 2, dẫn dòng theo hai chiều Để điều khiển Triac ta cần cấp xung cho chân Gate Triac TRIAC (viết MOC MOC linh kiện điện tử gồm phần tử bán dẫn, đóng vai trò linh kiện đệm, nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển, thực đóng mở TRIAC Mạch điện kết hợp hai linh kiện MOC TRIAC để điều khiển dòng xoay chiều có dạng sau: Tín hiệu điều khiển Mạch xoay chiều Board điều khiển AVR Vi điều khiển AVR – ATmega64 AVR họ vi điều khiển hãng Atmel sản xuất (Atmel nhà sản xuất dòng vi điều khiển 89C51 quen thuộc) AVR chip vi điều khiển bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(Reduced Instruction Set Computer), kiểu cấu trúc thể ưu xử lí So với chip vi điều khiển bit khác, AVR có nhiều đặc tính hẳn, tính ứng dụng (dễ sử dụng) đặc biệt chức năng:  Gần không cần mắc thêm linh kiện phụ sử dụng AVR, chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường khối thạch anh)  Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR đơn giản, có loại mạch nạp cần vài điện trở làm số AVR hỗ trợ lập trình on – chip bootloader không cần mạch nạp…  Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, sử dụng xung clock nội lên đến MHz (sai số 3%)  Bộ nhớ chương trình Flash lập trình lại nhiều lần dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, đặc biệt có nhớ lưu trữ lập trình EEPROM  Nhiều ngõ vào (I/O PORT) hướng (bi-directional)  bit, 16 bit timer/counter tích hợp PWM  Các chuyển đổi Analog – Digital phân giải 10 bit, nhiều kênh  Chức Analog comparator  Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232)  Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master Slaver   Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI) … Board điều khiển AVR Đây board điều khiển đa chức thiết kế Câu lạc Phần cứng Khoa KH&KT Máy Tính – Đại học Bách Khoa TP HCM Board có nhiều chức module khác nhau, khuôn khổ đồ án này, nhóm sử dụng module sau: Module Input-Output Vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển qua cổng Output4 board để thực điều khiển đến module xoay chiều Vi điều khiển nhận tín hiệu ADC trả từ module xoay chiều thông qua công ADC board Các hàm thực điều khiển output nhận input thực trước, nhóm có nhiệm vụ đọc hiểu sử dụng lại phù hợp với ứng dụng Module ADC – Analog to Digital Conversion Chip AVR ATmega64 Atmel có tích hợp sẵn chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit Có tất kênh đơn (các chân ADC0 đến ADC7), 16 tổ hợp chuyển đổi dạng so sánh, có kênh so sánh khuyếch đại Bộ chuyển đổi ADC AVR loại chuyển đổi xấp xỉ (successive approximation ADC) Việc đọc ADC hỗ trợ phần cứng ATmega64, nên việc đọc giá trị ADC đơn giản, cụ thể code sau: unsigned char read_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX = adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCH; } Module hiển thị LCD Trong board này, việc điều khiển LCD thực theo phương pháp đường liệu Các hàm hiển thị chữ cái, chuỗi hay số lên LCD có sẵn Module truyền nhận UART ATmega64 hỗ trợ việc truyền nhận UART nên việc truyền nhận đơn giản Cụ thể, code để truyền byte: // USART0 Transmitter routine void UART0_sendChr(BYTE chr) { while(!(UCSR0A & _BV(UDRE))); UDR0 = chr; } Code để nhận byte vào biến data: // USART0 Receiver interrupt service routine ISR(USART0_RX_vect) { BYTE status; BYTE data; status = UCSR0A; data = UDR0; } Sử dụng hai hàm này, ta thực việc truyền hay nhận liên tục nhiều byte VI Quá trình thực Phương án thực chức đóng mở mạch điện đề tài sử dụng cặp linh kiện MOC Triac, phù hợp với chức đóng mở thiết bị điện gia dụng, công xuất không cao Ở xem xét kỹ số phương án thực chức đọc thông số dòng điện (cường độ dòng điện) thiết bị điện xoay chiều Hai phương án xét đến dùng điện trở Shunt dùng thiết bị cảm biến dòng TL78 Dùng điện trở Shunt Đây phương án tiếp cận nhóm Điện trở Shunt loại điện trở có trở thấp ổn định mà giá trị biết trước Khi nối tiếp điện trở mạch, có hiệu điện rơi trở Ta việc đo hiệu điện này, kết hợp với giá trị điện trở biết trước, tính cường độ dòng điện, từ tính thông số khác mạch công suất tiêu thụ Đây phương án sử dụng phổ biến thiết bi đo dòng điện xoay chiều Tuy nhiên nhóm gặp khó khăn việc tìm loại điện trở Shunt Việt Nam, xét giá đắt (khoảng 60.000 VNĐ/ bán Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh nhóm chưa tìm chỗ bán linh kiện này) Xem xét lại chức mạch điện ứng dụng gia đình, giá linh kiện không hợp lý cho việc ứng dụng rộng rãi Dùng cảm biến dòng TL78 Nguyên lý cảm biến dòng ứng dụng tượng cảm ứng điện từ TL78 có cuộn dây bên trong, cho dòng xoay chiều chạy bên dây này, có dòng điện cảm ứng sinh Nhóm dùng Oscilloscope để chụp lại dạng sóng dòng điện cảm ứng sinh trình khảo sát Quá trình khảo sát sau: Đầu tiên nhóm khảo sát với cảm biến dòng đo trực tiếp thiết bị điện xoay chiều sử dụng, không thông qua điều khiển TRIAC Ý tưởng dùng phối hợp đi-ôt, tụ điện điện trở để lấy điện áp đỉnh dòng cảm ứng cảm biến dòng TL78 tạo ra, để từ suy tương quan với cường độ dòng điện tiêu thụ mạch xoay chiều Với thiết bị điện trở, mỏ hàn, dạng sóng điện cảm ứng sau: (Cường độ dòng điện tiêu thụ mỏ hàn đo Ampe Kế điện tử: 104mA) (Với trụ ngang thời gian (mỗi ô 5ms) trục dọc hiệu điện (mỗi ô 1V) ) Với thiết bị không trở, Oscilloscope, ta có: (Cường độ dòng điện tiêu thụ Oscilloscope đo Ampe Kế điện tử: 66mA) Ta thấy khác dạng sóng điện áp đỉnh áp dòng điện cảm ứng Và tương quan rõ ràng điện áp đỉnh dòng cảm ứng cường độ dòng điện thực tế đo Ampe kế điện tử, cụ thể Oscilloscope cho xung cảm ứng ngắn có điện áp đỉnh lớn, gấp đôi điện áp đỉnh mỏ hàn tạo Tuy nhiên, dòng tiêu thụ thực Oscilloscope nhỏ mỏ hàn nhiều (66 so với 104) Các số liệu nhóm thử lại nhiều lần nên đảm bảo tính tin cậy Vậy đưa đến kết luận dựa vào điện áp đỉnh để suy mức tiêu thụ điện cường độ dòng điện thiết bị điện khác Từ đây, nhóm thử giải pháp khác, thay ta lấy điện áp đỉnh thôi, ta tiến hành lấy mẫu nhanh giá trị áp dòng cảm ứng này, lấy giá trị trung bình lại, cố tìm tương quan giá trị trung bình cường độ dòng điện mạch xoay chiều Tham khảo thời gian lấy mẫu ADC ATmega64 xung clock hoạt động board nhanh, nhóm thử giải pháp lấy mẫu ADC 1000 lần/giây (1kHz) Tuy nhiên, tiến hành thử nghiệm, giải pháp cho kết không ổn định, dao động nhiều khác nhiều thiết bị điện khác mỏ hàn hay Oscilloscope Và đặc biệt nữa, xét mặt tổng quan với công việc khác mà vi điều khiển phải làm: LCD, nhận input người dùng, xử lý tín hiện, … việc lấy mẫu tần số cao không hiệu quả, chiếm tài nguyên xử lý lớn Quá trình thử nghiệm có nhiều hiển thị bị lỗi LCD việc lấy mẫu thường xuyên ảnh hưởng Đưa đến kết luận giải pháp lấy mẫu ADC 1000 lần/giây không hiệu quả, chiếm nhiều tài nguyên xử lý vi điều khiển ảnh hưởng không tốt đến chức khác mà vi điều khiển thực Trên khảo sát thiết bị điện chạy trực tiếp từ nguồn xoay chiều Tiếp theo nhóm tiến hành khảo sát module mạch xoay chiều, dùng board vi điều khiển thực điều khiển cặp MOC-TRIAC, dùng cảm biến dòng TL78 để lấy dòng cảm ứng trả Đặc tuyến Volt-Ampere TRIAC (ở góc phần tư thứ I) : Ta thấy đặc tuyến không tuyến tính, nên suy dòng xoay chiều sau qua TRIAC dạng hình sin chuẩn dòng xoay chiều từ lưới điện quốc gia Điều ảnh hưởng nhiều đến kết cảm ứng cảm biến dòng TL78 Cụ thể, kết khảo sát sau: Dòng cảm ứng thu cho tải tiêu thụ mỏ hàn: (Với trục ngang thời gian, ô 1ms, trục dọc điệp áp, ô 5V) Và dòng cảm ứng thu với tải Oscilloscope: Hay với hình máy tính: Ta thấy dạng sóng cảm ứng từ TL78 hoàn toàn thay đổi, nhiều xung gai tần số không ổn định Và thiết bị điện khác lại cho dạng xung khác tương quan dạng sóng mức cường độ dòng điện thực tế thiết bị tiêu thụ Nhóm sử dụng mạch RC để lọc xung tần số cao trên, sau tiến hành đọc ADC STT Thiết bị dùng điện Giá trị ADC đo Mức đồng hồ đo (mili Ampe) Không thiết bị 10 mA Mỏ hàn 12 109 mA Oscilloscope 60 66 mA Power Adapter 5V600mA 57 15 mA Màn hình ViewSonic trạng thái mở 40 117 mA Màn hình ViewSonic trạng thái sleep 27 16 mA mỏ hàn song song 22 220 mA mỏ hàn + súng bắn keo 18 176 mA Súng bắn keo 11 73 mA 10 mỏ hàn + súng bắn keo 25 281 mA Không thật có tương quan tuyến tính giá trị ADC đo cường độ dòng điện tiêu thụ thực loại thiết bị điện khác Từ tất kết khảo sát trên, nhóm đưa nhận định: Việc ứng dụng TL78 để đo cường độ dòng điện mạch điện xoay chiều thực người lập trình người thiết kế mạch điện biết rõ thiết bị dùng gì, từ khảo sát thiết bị đưa cách tính cụ thể lập trình Còn mục đích sử dụng khác nhau, trước thiết bị dùng, thiết lập công thức chung để chuyển đổi từ giá trị ADC đo sang cường độ dòng điện thực tế Vì thời gian có hạn nhóm đến giai đoạn cuối đồ án, nên nhóm khảo sát thêm phương án thực khác hiệu Nhóm điều chỉnh thiết kế chút, dùng cảm biến dòng TL78 để xác định thiết bị có hoạt động hay không, chưa thể đưa cường độ dòng điện công xuất thiết bị điện VII Demo sản phẩm [...]... không hiệu quả, chiếm quá nhiều tài nguyên xử lý của vi điều khiển cũng như ảnh hưởng không tốt đến các chức năng khác mà vi điều khiển đang thực hiện Trên đây là khảo sát ở thiết bị điện chạy trực tiếp từ nguồn xoay chiều Tiếp theo nhóm tiến hành khảo sát trên module mạch xoay chiều, khi dùng board vi điều khiển thực hiện điều khiển cặp MOC-TRIAC, và cũng dùng cảm biến dòng TL78 để lấy dòng cảm ứng trả... nào giữa giá trị ADC đo được và cường độ dòng điện tiêu thụ thực sự của các loại thiết bị điện khác nhau Từ tất cả những kết quả khảo sát trên, nhóm đưa ra nhận định: Việc ứng dụng TL78 để đo cường độ dòng điện trong mạch điện xoay chiều chỉ có thể thực hiện được khi người lập trình và cả người thiết kế mạch điện biết rõ thiết bị sẽ dùng là gì, từ đó sẽ khảo sát thiết bị và đưa ra cách tính cụ thể khi... là Oscilloscope cho xung cảm ứng rất ngắn và có điện áp đỉnh lớn, gấp đôi cả điện áp đỉnh do mỏ hàn tạo ra Tuy nhiên, dòng tiêu thụ thực sự của Oscilloscope nhỏ hơn mỏ hàn nhiều (66 so với 104) Các số liệu này được nhóm thử lại nhiều lần nên đảm bảo tính tin cậy Vậy đưa đến kết luận là không thể dựa vào điện áp đỉnh để suy ra mức tiêu thụ điện và cường độ dòng điện của các thiết bị điện khác nhau Từ... sóng cảm ứng từ TL78 đã hoàn toàn thay đổi, nhiều xung gai và tần số không ổn định Và mỗi một thiết bị điện khác nhau lại cho một dạng xung khác nhau và không thể hiện sự tương quan giữa dạng sóng và mức cường độ dòng điện thực tế thiết bị tiêu thụ Nhóm sử dụng mạch RC để lọc xung tần số cao trên, sau đó tiến hành đọc ADC STT Thiết bị dùng điện Giá trị ADC đo được Mức đồng hồ đo (mili Ampe) 1 Không... bị điện khác nhau Từ đây, nhóm thử giải pháp khác, thay vì ta chỉ lấy điện áp đỉnh thôi, thì ta sẽ tiến hành lấy mẫu nhanh từng giá trị của áp dòng cảm ứng này, rồi lấy giá trị trung bình lại, cố tìm sự tương quan giữa giá trị trung bình này và cường độ dòng điện trong mạch xoay chiều Tham khảo thời gian lấy mẫu ADC của ATmega64 và xung clock hoạt động của board khá nhanh, nhóm thử giải pháp lấy mẫu... tính, nên có thể suy ra dòng xoay chiều sau khi qua TRIAC sẽ không có dạng hình sin chuẩn như dòng xoay chiều từ lưới điện quốc gia nữa Điều này ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả cảm ứng của cảm biến dòng TL78 Cụ thể, kết quả khảo sát được như sau: Dòng cảm ứng thu được khi cho tải tiêu thụ là mỏ hàn: (Với trục ngang là thời gian, mỗi ô 1ms, trục dọc là điệp áp, mỗi ô 5V) Và dòng cảm ứng thu được với... giải pháp lấy mẫu ADC 1000 lần/giây (1kHz) Tuy nhiên, khi tiến hành thử nghiệm, giải pháp này cho kết quả rất không ổn định, dao động nhiều và cũng không có sự khác nhau nhiều giữa các thiết bị điện khác nhau mỏ hàn hay Oscilloscope Và đặc biệt hơn nữa, xét về mặt tổng quan với những công việc khác mà vi điều khiển phải làm: hiện LCD, nhận input người dùng, xử lý tín hiện, … thì việc lấy mẫu ở tần số... ADC đo được sang cường độ dòng điện thực tế Vì thời gian có hạn và nhóm đã đến giai đoạn cuối của đồ án, nên nhóm không thể khảo sát được thêm phương án hiện thực nào khác hiệu quả hơn Nhóm sẽ điều chỉnh thiết kế một chút, là sẽ dùng cảm biến dòng TL78 để xác định thiết bị có hoạt động hay không, chứ chưa thể đưa ra được cường độ dòng điện cũng như công xuất của thiết bị điện VII Demo sản phẩm ... TRIAC Mạch điện kết hợp hai linh kiện MOC TRIAC để điều khiển dòng xoay chiều có dạng sau: Tín hiệu điều khiển Mạch xoay chiều Board điều khiển AVR Vi điều khiển AVR – ATmega64 AVR họ vi điều khiển. .. việc điều khiển (gồm thao tác đóng, mở, tăng giảm cường độ, đo thông số) thiết bị điện xoay chiều sử dụng nhà Nhóm sử dụng mạch điện có vi điều khiển, nhận lệnh từ người dùng/hoặc hệ thống điều khiển. .. Module Input-Output Vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển qua cổng Output4 board để thực điều khiển đến module xoay chiều Vi điều khiển nhận tín hiệu ADC trả từ module xoay chiều thông qua công ADC